Nouvelles structures photodétectrices à base d'antimoniures pour la détection du moyen infrarouge

New Sb-based photodetectors for mid-infrared detection

• Auteur / Autrice : Quentin Durlin
• Direction : Philippe Christol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 17/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Combette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Perez, Alexandru Nedelcu, Anne Kaminski-Cachopo, Axel Evirgen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Ribet, François Julien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériel infrarouge

Capteurs optiques

Antimoine

Mots clés libres

Infrarouge

Photodétecteur

Antimoine

Infrared

Photodetector

Antimony

Résumé

Le monde des détecteurs infrarouge a été révolutionné, depuis le milieu des années 2000, par l'apparition de nouvelles structures photodétectrices dont les performances surclassent celles des photodiodes. Ces photodétecteurs ont permis le développement d'une nouvelle génération de caméras plus compactes, plus fiables et moins gourmandes en énergie. Cette thèse avait pour objectif l'étude de ces nouvelles structures photodétectrices haute performance à base d'antimoniures pour la détection du moyen infrarouge entre 3-5µm.Les performances d'un photodétecteur dépendent directement de la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication de celui-ci. Aussi, le matériau retenu pour faire office de couche d'absorption a donc dans un premier temps été finement caractérisé. Les mesures de durée de vie (DDV) des porteurs minoritaires dans le matériau se sont révélées être les plus pertinentes pour juger de la qualité des échantillons, et il est reporté une mesure de (DDV) à l'état de l'art pour une température de 80K. Le second volet de cette thèse portait sur le dimensionnement d'une structure photodétectrice à l'aide du logiciel de simulations numériques SILVACO. Une structure optimisée a été proposée puis a été fabriquée par épitaxie à jets moléculaires. A partir de celle-ci, des composants ont été réalisés en salle blanche par un procédé technologique standard. Le courant d'obscurité mesuré se situait une décade plus bas que le photocourant typique ce qui s'est avéré très encourageant pour le développement futur d'une filière basée sur ce type de structures. La dernière partie de ce manuscrit propose une piste pour faire varier la longueur d'onde de coupure de la nouvelle structure photodétectrive grâce à l'utilisation d'une couche absorbante à base de superréseaux antimoniures.

Since the middle of the 2000's, new infrared photodetectors have been proposed that demonstrate better performances than photodiodes. This type of new detectors allowed the development of the compactness, reliability and energy consumption of the next generation of infrared cameras. The aim of this thesis is to study these new high performance photodetectors based on antimony semiconductors dedicated to the 3-5µm mid-infrared domain.Photodetectors performance strongly depends on the quality of its absorption material that has been characterized by diffenrent techniques. Lifetime measurements were identified as the most relevant criterion the evaluation of material quality. A state-of-the-art lifetime value has been reported at a temperature of 80K. Then, an optimized design of the photodetector has been determined using the TCAD SILVACO software. The photodetector structure has been grown by molecular beam epitaxy and devices were made by a standard fabrication process in clean room. The measured dark current was a decade lower than the typical photocurrent : this confirmed the potential of this new structure to be used as a high performance mid-infrared photodetector. Finaly, we demonstrate that the cut-off wavelength of the detector can be tuned using antimony-based superlattices.